一种微波聚焦法陶瓷焊接装置、方法与流程

1.本发明属于微波陶瓷焊接技术领域，特别是涉及一种微波聚焦法陶瓷焊接装置以及利用一种微波聚焦法陶瓷焊接方法。


背景技术：

2.利用微波在高温下焊接陶瓷是今年来发展迅速的一种新技术，该焊接技术具有极高的使用价值及广阔的发展前景；陶瓷材料本身具有良好的耐热性和抗腐蚀能力，使其在高温环境中作为结构材料逐渐取代金属材料，该焊接技术还广泛应用于工业科技领域，例如航天、电子信息、化工业以及海洋钻探等方面，因其优良的特性，微波陶瓷焊接技术在各个领域中担任着越来越重要的作用。
3.微波焊接是利用微波在材料中的介质损耗使陶瓷加热，产生极化和损耗，在一定的压力下完成焊接，由于微波焊接加热具有体积加热效应，加热速度快、加热均匀性好及选择性加热等优点，因此该焊接技术具有升温速度快、焊接强度高、能耗低的优点。由于升温速度快，陶瓷内部的晶粒不会过分变大，晶界相元素的分布也更加均匀，因此焊接部分可以均匀连接，从而保证材料的优良性能。
4.陶瓷焊接过程中均匀性加热这一环节作为重要和关键，是保证大尺寸陶瓷件和复杂形状陶瓷件均匀烧结的重要前提，加热均匀性的良好是焊接强度的保证，非均匀加热现象存在于微波加热烧结过程中，严重时，会产生极大的残余应力，从而导致陶瓷件的开裂。主要原因可分为以下几类：(1)微波场分布不均匀，近似均匀区域也极小，导致内部存在一定的应力影响焊接强度；(2)微波特有的加热现象，如热点、热失控、选择加热；(3)焊接材料自身存在的问题，如热导率低、尺寸过大、热膨胀系数大、结构复杂等；(4)焊接材料的焊接尺寸问题，目前微波焊接腔体的微波场的均匀区域不大；焊接强度有待提高，对焊料的选取，节点损耗及与基质材料的匹配性有待提高；焊接材料的焊接尺寸问题，目前微波焊接腔体的微波场的均匀区域不大；焊接强度有待提高，对焊料的选择区，节点损耗以及基质材料的匹配性有待提高，焊接材料的种类有待丰富，目前所采用的焊接材料一般为结构陶瓷，用途较为单一。因此，针对以上问题，提供一种微波聚焦法陶瓷焊接装置、方法具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种微波聚焦法陶瓷焊接装置、方法，解决了以上问题。
6.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
7.本发明的一种微波聚焦法陶瓷焊接装置，包括顶部为开口的盒状的单模谐振腔、活动安装于单模谐振腔上部且能够实现气密封的盖板；
8.所述单模谐振腔一侧部设置有微波功率输入口，相对的另一侧部安装有与单模谐振腔内部金属移动块相连的可调活塞结构；所述金属移动块通过可调活塞结构于单模谐振腔内微调移动，且相对于微波功率输入口方向的侧面为能够将微波反射后聚焦于一点的凹面形的金属反射面，所述可调活塞结构与单模谐振腔之间为气密封结构；
9.所述单模谐振腔另两相对侧部对称安装有能够对单模谐振腔内待微波焊接陶瓷进行加压的加压机构，所述加压机构采用加压杆伸入至单模谐振腔内，且端部设置有能够待微波焊接陶瓷抵触并进行加压的触头，使被加压夹持后的待微波焊接陶瓷位置位于经微波反射后聚焦点的范围，所述加压机构与单模谐振腔之间为气密封结构；
10.所述单模谐振腔的侧部开设有抽真空口。
11.进一步地，所述金属反射面、与金属反射面相对的单模谐振腔侧壁以及两侧侧壁之间形成微波聚焦陶瓷焊接腔室，所述加压机构对称设置于微波聚焦陶瓷焊接腔室的两侧壁上，且该两侧壁上。
12.进一步地，所述微波聚焦陶瓷焊接腔室的两侧壁上贴付有吸波材料层。
13.进一步地，所述加压机构包括与微波聚焦陶瓷焊接腔室的两侧壁上设置的第一法兰套的中心孔套接且气密配合的第二法兰套、与第二法兰套进行法兰连接且具有同轴心结构的第三法兰套，加压杆后端设置有与第二法兰套以及第三法兰套的中心轴孔气密配合的加压调节杆。
14.其中，所述第三法兰套的外周侧设置有旋转调节用的螺纹，用于调节控制第二法兰套与第一法兰套的中心孔的气密性；所述加压调节杆端部安装有加压装置。
15.进一步地，所述可调活塞结构包括与单模谐振腔侧壁开设的开口孔相对应且固定安装的开口孔型的第一安装板、安装于第一安装板侧部且内设有滑动孔的滑动腔、安装于滑动腔内且与滑动孔气密滑动相配合的活塞杆、安装于活塞杆外端部的螺帽；所述活塞杆内端部与金属移动块后部的连接盲孔固定相连。
16.进一步地，所述盖板上安装有垂直卡扣，所述单模谐振腔侧部安装有与垂直卡扣相配合使盖板与单模谐振腔实现气密封的卡扣座。
17.进一步地，所述微波功率输入口位置安装有供微波输入装置进行气密封连接的开口孔型的第二安装板。
18.一种微波聚焦法陶瓷焊接方法，包括如下步骤：
19.s01、打开单模谐振腔的盖板，将待微波焊接陶瓷材料放于微波聚焦陶瓷焊接腔室内，调整待微波焊接陶瓷材料的位置，随后关闭盖板，确保单模谐振腔内部气密封；
20.s02、将单模谐振腔内部待微波焊接陶瓷材料通过加压机构的加压动作，并进行抽真空处理，使待微波焊接陶瓷材料紧密贴合在一起；
21.s03、采用微波电源作为供微波输入装置向单模谐振腔内导入微波能量，通过可调活塞结构调整金属反射面位置，使微波能量聚集于焊接区块上，开始进行微波焊接；
22.s04、焊接完成后，待自然冷却后打开盖板，取出微波焊接陶瓷材料，完成焊接。
23.本发明相对于现有技术包括有以下有益效果：
24.1、本发明的一种微波聚焦法陶瓷焊接装置采用矩形谐振腔，结构简单、易于控制、电场和温度分布较为均匀，运行稳定，能够改善微波场分布不均匀产生应力的问题；
25.2、根据陶瓷在微波聚焦方式的作用下升温特点，通过功率补偿系统来调节输入功率，抑制热失控，从而降低由于材料尺寸引起的由材料中心到表面的径向温度梯度；
26.3、在焊接时，减小中层的厚度和焊接材料晶粒尺寸，可以提高接头强度；
27.4、在焊接过程中，利用微波聚焦方式改进微波场的分布，提高焊接区域的热均匀性，从而提高材料的焊接尺寸，增加焊接材料的种类，使微波焊接技术在工业领域的运用更
加广泛；
28.5、本发明的焊接装置采用椭球曲面的聚焦反射面对微波波束进行反射聚焦，克服了传统非聚焦装置对微波源功率的需求高及造价成本高等不足，由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，特有的聚焦特性减少了装置对微波源功率的需求，实现了陶瓷焊接装置的焊接强度及产品的生产良率。
29.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明的一种微波聚焦法陶瓷焊接装置的结构示意图；
32.图2为图1中a视角的结构示意图；
33.图3为本发明的一种微波聚焦法陶瓷焊接装置的结构爆炸图；
34.图4为图3中b视角的结构示意图；
35.图5为图1中单模谐振腔内部的结构示意图；
36.图6为图5的结构俯视图；
37.图7为图6中c-c剖面视图；
38.图8为图3中加压机构的横向剖面结构图；
39.图9为图3中可调活塞结构的横向剖面结构图；
40.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
41.1-单模谐振腔，101-抽真空口，102-卡扣座，103-吸波材料层，104-第一法兰套，1041-中心孔，105-微波功率输入口，1051-第二固定孔，1052-第二安装板，106-开口孔，1061-第一固定孔，2-盖板，3-金属移动块，301-金属反射面，302-连接盲孔，4-垂直卡扣，5-可调活塞结构，501-滑动腔，502-活塞杆，503-第一安装板，504-螺帽，6-加压机构，601-加压调节杆，602-触头，603-加压杆，604-第二法兰套，605-第三法兰套。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
43.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上部”、“内部”、“侧面”、“套接”、“中心”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
44.请参阅图1-9所示，本发明的一种微波聚焦法陶瓷焊接装置；包括顶部为开口的盒状的单模谐振腔1、活动安装于单模谐振腔1上部且能够实现气密封的盖板2，单模谐振腔1
具体为矩形结构；
45.单模谐振腔1一侧部设置有微波功率输入口105，相对的另一侧部安装有与单模谐振腔1内部金属移动块3相连的可调活塞结构5；金属移动块3通过可调活塞结构5于单模谐振腔1内微调移动，且相对于微波功率输入口105方向的侧面为能够将微波反射后聚焦于一点的凹面形的金属反射面301，可调活塞结构5与单模谐振腔1之间为气密封结构；
46.单模谐振腔1另两相对侧部对称安装有能够对单模谐振腔1内待微波焊接陶瓷进行加压的加压机构6，加压机构6采用加压杆603伸入至单模谐振腔1内，且端部设置有能够待微波焊接陶瓷抵触并进行加压的触头602，使被加压夹持后的待微波焊接陶瓷位置位于经微波反射后聚焦点的范围，加压机构6与单模谐振腔1之间为气密封结构；
47.单模谐振腔1的侧部开设有抽真空口101。
48.其中，金属反射面301、与金属反射面301相对的单模谐振腔1侧壁以及两侧侧壁之间形成微波聚焦陶瓷焊接腔室，加压机构6对称设置于微波聚焦陶瓷焊接腔室的两侧壁上，且该两侧壁上；微波聚焦陶瓷焊接腔室为反射镜区域，提供光学回馈能力以形成受激辐射的持续振荡，使光束不断增强，限制光束的方向与频率，使输出光束具有极好的方向性和单色性。
49.其中，微波聚焦陶瓷焊接腔室的两侧壁上贴付有吸波材料层103；本具体实施例中吸波材料层103采用py-100型暗室吸波材料，具体材料至泡沫塑料。
50.其中，加压机构6包括与微波聚焦陶瓷焊接腔室的两侧壁上设置的第一法兰套104的中心孔1041套接且气密配合的第二法兰套604、与第二法兰套604进行法兰连接且具有同轴心结构的第三法兰套605，加压杆603后端设置有与第二法兰套604以及第三法兰套605的中心轴孔气密配合的加压调节杆601。
51.其中，第三法兰套605的外周侧设置有旋转调节用的螺纹，用于调节控制第二法兰套604与第一法兰套104的中心孔的气密性；加压调节杆601端部安装有加压装置，该加压装置采用液压缸，气缸或电缸。
52.其中，可调活塞结构5包括与单模谐振腔1侧壁开设的开口孔106相对应且固定安装的开口孔型的第一安装板503、安装于第一安装板503侧部且内设有滑动孔的滑动腔501、安装于滑动腔501内且与滑动孔气密滑动相配合的活塞杆502、安装于活塞杆502外端部的螺帽504；活塞杆502内端部与金属移动块3后部的连接盲孔302固定相连；第一安装板503表面开设有与单模谐振腔1侧部上开口孔106的定位孔相对应的第一固定孔1061，通过螺丝气密封固定相连；可调活塞结构5通过做往复运动来改变金属反射面301的聚焦，将微波集中控制在一点上，从而增大焊接强度和精度。
53.其中，盖板2上安装有垂直卡扣4，单模谐振腔1侧部安装有与垂直卡扣4相配合使盖板2与单模谐振腔1实现气密封的卡扣座102；用于固定单模谐振腔1的腔体，使腔体保持密封。
54.其中，微波功率输入口105位置安装有供微波输入装置进行气密封连接的开口孔型的第二安装板1052；第二安装板1052表面开设有与单模谐振腔1侧部上微波功率输入口105位置相对应的第二固定孔1051，通过螺丝气密封固定相连；第二安装板1052与微波输入装置端口固定相连；微波功率输入口105用于供微波输入装置提供焊接所需微波功率，具体为微波电源。
55.一种微波聚焦法陶瓷焊接方法，包括如下步骤：
56.s01、打开单模谐振腔1的盖板2，将待微波焊接陶瓷材料放于微波聚焦陶瓷焊接腔室内，调整待微波焊接陶瓷材料的位置，随后关闭盖板2，确保单模谐振腔1内部气密封；
57.s02、将单模谐振腔1内部待微波焊接陶瓷材料通过加压机构6的加压动作，并进行抽真空处理，使待微波焊接陶瓷材料紧密贴合在一起；
58.s03、采用微波电源作为供微波输入装置向单模谐振腔1内导入微波能量，通过可调活塞结构5调整金属反射面301位置，使微波能量聚集于焊接区块上，开始进行微波焊接；
59.s04、焊接完成后，待自然冷却后打开盖板2，取出微波焊接陶瓷材料，完成焊接。
60.微波焊接是利用材料本身的介电损耗发热，本技术方案的整个装置只有焊接区域处于高温而其余部分仍处于常温冷态，所以整个装置结构简单、紧凑及使用成本低。焊接时内部整体同时发热，内应力低，不易产生断裂，能够均匀牢固地结合在一起，不改变陶瓷外形，同时不需要预热也不需要后处理。微波焊接由于能够迅速加热和能够准确控制温度，在焊接处不易产生空气气泡或晶粒长大，同时晶界元素分布更趋近均匀。
61.本装置是通过该种技术措施来实现的：一种在真空环境下的微波聚焦焊接装置，聚焦反射面设置在真空腔体内部的一端，另一端设置微波接收端，聚焦反射面为椭球凹面。微波源产生的微波信号经过接收端口后传输到聚焦反射面上，聚焦反射面将微波信号聚焦后，在真空环境下形成局部的强电磁场，未在真空中聚焦而散射的微波可被贴附在真空腔内壁的吸波材料吸收，选择金属反射面作为聚焦反射面。通过移动改变金属反射面的位置，控制反射面做往复运动，找到合适的位置静止，在保证微波焊接尺寸不变的情况下，保证微波的驻波位置，微波焊接的热均匀性。
62.微波焊接是利用微波在材料中的介质损耗使陶瓷加热，产生极化和损耗，在一定的压力下完成焊接，根据材料之间是否需要添加中间介质，将微波焊接分为两种：直接焊接及间接焊接。
63.高温焊接陶瓷的主体部分，采用矩形谐振腔，微波源工作频率为2.45ghz，功率从0—3000w连续可调，材料的表面温度是通过光导纤维红外辐射温度计来测量，焊接温度由调节微波源的功率大小来表现，焊接所需的压力由加压装置施加。陶瓷焊接过程中陶瓷的介电性能εr和tgδ会随温度的升高而急剧地变化从而引起腔体的谐振频率和耦合度漂移。因此，需要相应地调节短路活塞的位置和耦合孔的大小来补偿这一漂移，以保持临界耦合状态和谐振的连续，使焊接达到所需的焊接温度。根据微扰理论，短路活塞移动的距离l和耦合孔大小与频率漂移及材料性能的关系，由下列式子表示：
64.l＝{v-[f0/(f0
–
f1)]a(εr-f)v0}和
[0065]
w＝(2a/π)arctg{[fi/(afu)][(6πα∈rtgδ)/v]1/8}3/8；
[0066]
式中，a为腔体宽边尺寸，α为一常数，fi、fu分别为频率漂移前和漂移后的谐振频率，v0为材料体积，v为空腔体积，εr和tgδ分别为材料的相对介电常数和损耗正切，短路活塞和耦合调谐的设计是获得优良焊接性能腔体的关键。
[0067]
谐振腔与外部电路的阻抗匹配是通过耦合孔来实现的，对于介电损耗随温度急剧变化的材料来讲，耦合度的漂移对吸收效率常常起着决定性的影响，因此采用固定孔径膜片。采用扼流结构，尽量降低耦合窗大电流处阻抗，在焊接时有效地抑制了耦合窗内发热现象，成倍地提高了腔体的q值。
[0068]
微波加热的本质是把微波转变成热能，材料与电磁相互作用的程度和材料吸收微波的能力可以用复介电常ε,来描述：ε,＝ε,-jε；
[0069]
式中：ε，——介电常数，ε,,——介电损耗系数，εo——真空中的介电常数，εr——相对介电常数，tgδ——介电损耗正切；
[0070]
在微波加热时，材料单位体积所吸收的微波能ps可以表示为：
[0071]
ps＝2πfεoεrtgδ
·
e2；
[0072]
式中：f——微波频率；e——材料内部的电场强度；
[0073]
当微波在材料中传播时，微波能是会衰减的，微波的功率渗透深度d1/d2被定义为微波功率，从材料表面衰减至表面值1/2的距离，可用下式计算：
[0074]
d1/2＝(3λ_0)/〖8.686πtgδ(ε_r/ε_0)〗^(1/2)；
[0075]
式中：λ0——微波在自由空间的波长；当材料吸收微波能后，它的温度上升速率可由下式决定：
[0076]
δt/δt＝ε_(rtgδ
·f·
e^2)/(ρ
·
c_p)
[0077]
式中：δt——温度增量；c_p——材料比热；ρ——材料密度；
[0078]
陶瓷材料在室温下的介电损耗因子ε_rtgδ极小，但随着温度升高而迅速增加，称为温度飞升现象，在室温下ε_rtgδ的值很小，但由于飞升现象其值会迅速增加，一般来说陶瓷的导热率比金属小，利用温度飞升现象和导热系数低的事实，可确保陶瓷焊接部位的温度最高，并从焊接部位向非连接端迅速降温，通过这种温度分布可使陶瓷有效而牢固的连接在一起。
[0079]
有益效果：
[0080]
1、本发明的一种微波聚焦法陶瓷焊接装置采用矩形谐振腔，结构简单、易于控制、电场和温度分布较为均匀，运行稳定，能够改善微波场分布不均匀产生应力的问题；
[0081]
2、根据陶瓷在微波聚焦方式的作用下升温特点，通过功率补偿系统来调节输入功率，抑制热失控，从而降低由于材料尺寸引起的由材料中心到表面的径向温度梯度；
[0082]
3、在焊接时，减小中层的厚度和焊接材料晶粒尺寸，可以提高接头强度；
[0083]
4、在焊接过程中，利用微波聚焦方式改进微波场的分布，提高焊接区域的热均匀性，从而提高材料的焊接尺寸，增加焊接材料的种类，使微波焊接技术在工业领域的运用更加广泛；
[0084]
5、本发明的焊接装置采用椭球曲面的聚焦反射面对微波波束进行反射聚焦，克服了传统非聚焦装置对微波源功率的需求高及造价成本高等不足，由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，特有的聚焦特性减少了装置对微波源功率的需求，实现了陶瓷焊接装置的焊接强度及产品的生产良率。
[0085]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。